Симметричный вибратор

Оглавление

Введение 5

1. Принцип действия симметричного вибратора 6

2.  Выбор наиболее близкого прототипа по основным

параметрам, предъявляемым требованиям, условиям

эксплуатации и экономическим возможностям 10

3.  Электрический и конструкторский расчеты

элементов и конструкции устройства в целом для

обеспечения заданных параметров 17

4.  Разработка конструкции с аргументированным обоснованием технического решения элементов, узлов и материалов 18

5.  Результаты моделирования и исследования натурного образца 21

Заключение 22

Список использованной литературы 23

Введение

Целью данной курсовой работы является разработка широкополосного симметричного вибратора, удовлетворяющего ТЗ (техническому заданию), а так же моделирование антенны и ее работы в программе.

Вибраторные антенны находят свое применение в сантиметровом, дециметровом и в более длинноволновых диапазонах волн, почти до сверхдлинных волн, и представляют из себя системы прямолинейных проводников (антенных решеток) или одиночные прямолинейные проводники, возбуждаемые в определенных точках. В зависимости от конструкции, вибраторные антенны обладают коэффициентом направленного действия (КНД) начиная от нескольких единиц до нескольких тысяч, и используются в системах радионавигации, радиосвязи, телеметрии, телевидении и прочих радиотехнических сферах.

Вибраторные плечи изготавливаются из металлических проводников, имеющих поперечные размеры, значительно меньшие, чем их длина. По центру к плечам вибратора подключается двухпроводная линия, которая, в свою очередь, подсоединяется к выходу генератора - в режиме передачи или к гетеродину - при приеме. В СВЧ диапазоне (длины волн менее 1 м) часто применяются вибраторы с длинами каждого из плеч, равными четверти длины волны. Суммарная длина вибраторной антенны (длина двух плеч) при этом приближается к половине длины волны λ, а вибратор именуется полуволновым.

В результате выполнения работы был рассчитан и смоделирован симметричный вибратор, удовлетворяющий полученному техническому заданию. Рабочая частота вибратора 1000-2000 МГц.

Ширина главного лепестка в в плоскости Н – 360 градусов.

Пояснительная записка к курсовой работе выполнена в текстовом редакторе MS Word 2010 и представлена в печатном виде.

1.  Принцип действия симметричного вибратора

Наиболее простая в реализации антенна -  симметричный вибратор. Именуется он так потому, что питающая проводник напряженность поля подводится к его середине, а распределение тока по проводнику возможно также именовать симметричным. В наши дни существует много разнообразных программных комплексов, дающих возможность выполнять электродинамический анализ различных приборов и устройств СВЧ, среди них: FEKO, Microwave Studio, Ansys HFSS и др. Внешний вид и модель симметричного вибратора выполненная программным пакетом Ansys HFSS отображена на рисунке 1.

Рис.1. Модель симметричного вибратора

Большинство свойств вибратора сходно со свойствами двухпроводной линии. В нем также может создаваться стоячая волна, при этом на концах провода всегда образуются узлы тока и пучности напряжения. Распределение напряжения и тока вдоль вибратора аналогично такому же, как и вдоль проводов линии. В зависимости от соотношения между длиной вибратора и длиной волны генератора входное сопротивление вибратора принимает различные значения. В частности, в случае резонанса, оно чисто активное.

Скорость распространения электромагнитных волн вдоль реального вибратора несколько меньше, чем скорость света, и поэтому резонанс получается в случае, когда длина провода вибратора немного меньше ½*λ (примерно 0,47 *λ). Когда вибратор располагается недалеко от земли и различных местных предметов, то необходимо брать его еще более коротким. Помимо этого, когда по центру вибратора включена катушка для связи с генератором, то длина вибратора должна быть взята с учетом того, что провод катушки является частью провода вибратора. При наличии такой катушки в ее средней точке получается узел напряжения и пучность тока.

Основным отличием вибратора от линии является его способность хорошего излучения радиоволн. Двухпроводная линия излучает радиоволны слабо, так как магнитные поля обоих проводов во внешнем пространстве почти полностью взаимно уничтожаются вследствие противоположных направлений токов в проводах; у вибратора же обе половинки провода расположены по одной прямой и токи в них совпадают по направлению. Поэтому излучения от этих токов складываются.

Поскольку вибратор хорошо излучает радиоволны, нельзя считать его идеальной линией. В нем получается режим смешанных, а не стоячих волн. В результате теоретического и практического исследования полуволнового вибратора выяснилось, что энергия излучаемых им волн эквивалентна потерям в активном сопротивлении 73 ом, которое следует считать включенным в пучность тока. Такое условное сопротивление, потери в котором эквивалентны потерям на излучение, называют сопротивлением излучения (Rизл).

Если бы в самом проводе и в изоляторах не было потерь энергии, то входное сопротивление вибратора в пучности тока при резонансе составляло бы 73 Ом. Но в каждом вибраторе имеются потери на нагрев провода и изоляторов, на утечку и т. п. Поэтому Zвх, называемое иначе полным сопротивлением антенны Ra, для полуволяового вибратора приближенно считают равным 80 ом (добавляя 7 ом потери). Именно такое сопротивление оказывает вибратор для генератора, включенного в пучность тока (в середину вибратора).

Полная мощность колебаний в антенне (в вибраторе) Ра определяется через ток в пучности Iа и сопротивление Rа:

Мощность излучаемых волн:

Отсюда следует, что КПД вибратора определяется как

Величина КПД для полуволнового вибратора получается достаточно высокой — порядка 0,9 и даже выше.

Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально, волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию.

Следует обратить внимание на то, что электромагнитные поля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер. На значительном расстоянии от вибратора поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает, и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.

Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, амплитуда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн. Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь колебание энергии, переходящей из электрического поля в магнитное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоячих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, более сильное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его напряженность очень быстро убывает при удалении от вибратора.

Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших длины волны от него, в котором существует поле индукции, называют зоной индукции или ближней зоной. А пространство на расстояниях, значительно больших длины волны, в котором практически наблюдается только поле излучения, называют дальней или волновой зоной (или зоной излучения).

Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними существует промежуточная зона, в которой поле индукции и поле излучения имеют напряженности одного порядка.

2.  Выбор наиболее близкого прототипа по основным параметрам, предъявляемым требованиям, условиям эксплуатации и экономическим возможностям

В настоящее время область применения радиоэлектронных средств расширяется, комплексы радиосистем становятся все более сложными, это полностью относится и к радиотехнике СВЧ диапазона. В связи с расширением физических возможностей радиоэлектронной аппаратуры во многих случаях необходимо не только излучать и принимать СВЧ сигнал, но также производить его обработку и преобразование, поэтому усложняются СВЧ схемы и в прежнем исполнении становятся громоздкими, поэтому возникает необходимость создания миниатюрных схем работающих в СВЧ диапазоне.

К радиотехническим устройствам СВЧ диапазона предъявляются жесткие требования по снижению себестоимости, повышению надежности, уменьшению габаритов и веса. Сегодня вес и габариты стали факторами, ограничивающими применение СВЧ аппаратуры, особенно в мобильных установках – на борту наземного и водного транспорта, не говоря уже о летательных аппаратах. Поэтому использование миниатюризации и миниатюризации элементов и узлов на СВЧ в современной радиоэлектронике является актуальной задачей.

По сравнению с обычной аппаратурой микрополосковые и полосковые схемы более трудоемки в разработке, поскольку связь между элементами схемы за счет краевых полей и полей излучения более трудно поддается учету, расчет многих элементов схемы производится приближенно, а подстройка готовых схем затруднена. Окончательные размеры схем приходится отрабатывать путем перебора множества вариантов.

Широкое развитие и распространение полосковой и микрополосковой техники обусловлено тем, что к ее изготовлению можно применить технологию печатных плат, например, травление печатных проводников или вакуумное напыление.

Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать задачи по созданию АФУ при весьма жестких и противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.

Микрополосковые антенны, изготовленные по печатной технологии интегральных схем, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость и массу.

Микрополосковые антенны способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух - или многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие элементарные излучатели в ФАР и разместить их на поверхностях сложной формы.

Основными элементами, образующими микрополосковую антенну, являются излучатель (антенна) и устройство возбуждения. В качестве линии передачи используются полосковые устройства. Тип полосковой линии определяет конструктивное выполнение других элементов антенны. В низкочастотной части диапазона возбуждение осуществляется при помощи коаксиальной линии или волноводной линии.

Широкое применение нашли печатные излучатели резонаторного типа, построенные на базе несимметричной полосковой линии.

Пример излучателя резонаторного типа приведен на рис. 2. Излучатель состоит из прямоугольного ленточного проводника 1, расположенного на тонком диэлектрическом слое 2 с проводящей подложкой 3. Возбуждение излучателя производится полосковой линией передачи.

Рис.2. Печатная антенна с линейной поляризацией

Для линии передачи эта система является плоским, заполненным резонатором с потерями, которые обусловлены излучением. Расстояние l приблизительно равно λд/2, где λд - длина волны в диэлектрике. На краях резонатора составляющие поля, нормальные к проводящей подложке, находятся в противофазе. Составляющие поля параллельны проводящей подложке, складываясь в фазе, образуют поле излучения линейной поляризации с направлением максимального излучения по нормали к плоскости подложки. Размер b излучателя может быть различным.

Поле линейной поляризации формируется излучением двух щелей, образующих стенки резонатора, который представляет полуволновый отрезок несимметричной полосковой линии. Антенны такого типа используются как приемные.

При расчете антенны предполагается, что размер h удовлетворяет условию κh<<1 где κ=2π/λ0, λ0 – рабочая длина волны. Предполагается также, что распределение поля в излучающей щели соответствует распределению поля волны типа Т в поперечном сечении регулярной линии. Щель рассматривается как линейный излучатель, подобно узкой щели в проводящем экране. Таким образом, анализ антенны резонаторного типа сводится к анализу обычной щелевой антенны. Поле в излучающей щели антенны имеет вид , ≤ . Это поле определяет магнитный ток эквивалентного линейного излучателя как

где , – единичные векторы системы координат.

По условиям работы нам задан симметричный вибратор. А для антенны, состоящей из нескольких вибраторов, с учетом влияния земли диаграмма направленности антенны определяется формулой:

F(Θ,φ)= F1(Θ,φ) F2(Θ,φ) F3(Θ,φ),

где F1(Θ,φ) - множитель, определяющий диаграмму одного вибратора;

F2(Θ,φ) - множитель антенны (решетки);

F3(Θ,φ) - множитель земли;

Θ и φ - угол места и азимут.

В горизонтальной плоскости диаграмма направленности антенны определяется выражением:

F(φ)= F1(φ) F2(φ) F3(φ).

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

,

множитель антенны

,

где А - постоянный коэффициент = 1,

множитель земли:

.

В итоге, выражение для диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости имеет вид:

.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости, построенная с помощью САПР MathCAD, представлена на рисунке 3.

Рис.3. Нормированная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости полярной системы координат

Очевидно, что в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь направленное излучение, эффективное в диапазоне 30˚.

В вертикальной плоскости диаграмма направленности антенны находится как:

F(Θ)= F1(Θ) F2(Θ) F3(Θ).

Множитель, определяющий диаграмму одного вибратора

F1(Θ)=1,

множитель антенны

, где А = 1

множитель земли .

В итоге получаем выражение для диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости:

.

Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости, построенная с помощью САПР MathCAD, представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости

По условиям работы, широкополосный симметричный вибратор СВЧ диапазона выполнен на диэлектрической пластине с экранирующим металлическим покрытием с противоположной стороны платы.

Диэлектрический слой платы для изготовления микрополоскового симметричного вибратора выбирается весьма тонким h < 0,1λ так как он является лишь конструктивной деталью с малыми потерями. Поэтому он не влияет на ДН вибратора и учитывается в основном при вычислении его резонансной длины. В нашем случае, для верхней частоты 2ГГц, толщина платы составит : h ≤ 0,1 · 0,15 ≤ 15 mm. Примем в дальнейшем стандартную толщину платы из полистирола h = 2 мм.

Возбуждение микрополоского вибратора.

Линия передачи может подводиться к печатному микрополосковому симметричному вибратору как перпендикулярно ленточному проводнику вибратора, так и в плоскости проводника. В первом случае обычно используется коаксиальная линия с симметрирующим устройством.

В нашем случае удобнее подвести коаксиальный кабель со стороны экранирующего слоя с тыльной стороны, как изображено на рисунке 5.

Экранирующая оплетка коаксиального 50Ω кабеля соединяется с экранирующим слоем, а центральный проводник подпаивается в расчетной точке симметричного вибратора, обеспечивающей оптимальное волновое согласование. В настоящей работе данная точка не рассчитывается.

3.  Электрический и конструкторский расчеты элементов и конструкции устройства в целом для обеспечения заданных параметров

Основной расчет состоит в определении размеров резонатора и выбора полосковой линии для получения заданной ширины главного лепестка ДН (или КНД) антенны. Дополнительно задаются требования к условиям расположения и условиям работы антенны. Из этих требований производится выбор ленточного проводника и диэлектрической подложки антенны.

По заданной характеристике направленности ориентировочно определяется размер b ленточного проводника антенны (рис. 2):

,

При этом размер l предполагается равным 0,5λ. Средняя частота заданного в ТЗ диапазона принимается - 1,5 ГГц, длина волны соответственно λ = 0,2 μ, ξςρώδΰ οξλσχΰεμ:

l = 0,5·0,2 = 0,1 m или 10 см

Ленточный проводник может иметь квадратную или прямоугольную форму. От значения b зависит волновое сопротивление несимметричной полосковой линии, которое не может быть малым, обычно оно равно 10-15 Ом .

Далее выбирается размер h антенны, обычно h<0,1λ, отсюда:

h = 0,1·0,2 = 0,02 m или 2 см

и материал диэлектрической подложки (печатной платы). Диэлектрическая проницаемость подложки выбирается равной ε=2,25...2,5. В этот диапазон попадает материал – дифмолен, полиэтилен. Соответственно диэлектрический слой печатной платы должен быть из указанного материала.

4.  Разработка конструкции с аргументированным обоснованием технического решения элементов, узлов и материалов

Полосковая (микрополосковая) антенна выполняется на основе полосковой (микрополосковой) линии передачи.

Применение микрополосковой технологии и соответствующих диэлектрических и проводящих материалов позволяет существенно снизить габариты, массу и стоимость антенны. Выигрыш в массе и габаритах элементов антенны в микрополосковом исполнении может составить 1-2 порядка по сравнению с элементами, выполненными на основе, например, вибраторных антенн.

На рис.2 показан проектируемый одиночный излучатель (вибратор) прямоугольной формы в микрополосковом исполнении. В техническом задании работы указан симметричный вибратор, состоящий из двух одиночных и имеющий вид:

Рис.6. Форма расчетного симметричного вибратора прямоугольной формы

Основными элементами таких устройств являются :

1 - металлическая прямоугольная (или более сложной формы) пластина толщиной 20-50 мкм с размерами порядка половины длины волны

2 - подложка в виде диэлектрической пластины толщиной 0,2-2 мм с относительной диэлектрической проницаемостью ε =2-10;

3 - базовая металлическая пластина (основание), выполненная обычно из меди толщиной 20-50 мкм.

Если относительная диэлектрическая проницаемость подложки составляет несколько единиц, линия называется полосковой. Если ε>8-10, линия называется микрополосковой.

В микрополосковой линии передачи используется основная волна типа Т, не обладающая дисперсией. Это обусловливает широкополосность микрополосковых линий и позволяет их использовать в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Недостатком микрополосковых линий являются сравнительно большие потери мощности на тепло в металле и диэлектрике, а также наличие некоторых потерь мощности на излучение. Потери в металле в 3-сантиметровом диапазоне волн примерно на порядок больше, чем в прямоугольных волноводах. Потери мощности в некоторой степени ограничивают применение микрополосковых линий и излучателей в фазированных антенных решетках с большими волновыми размерами апертуры, если предъявляются жесткие требования к коэффициенту полезного действия.

В настоящее время ведутся работы по снижению потерь мощности путем разработки высококачественных диэлектриков для подложки и поиска новых конструкций линий передачи, излучателей и других элементов.

Разработано большое число различных микрополосковых излучателей с линейной поляризацией.

Вторым конструктивным вариантом полоскового симметричного вибратора СВЧ диапазона является антенна с треугольными излучателями:

Рис.7. Симметричная вибраторная антенна «бабочка».

На рис.7 кружком показано ориентировочное место подключения центральной жилы коаксиального кабеля снижения.

Расчетные размеры антенны для средней частоты заданного диапазона 1,5 ГГц и длины волны λ = 0,2 м составляют: L= 75 mm, H= 50 mm. Полоса пропускания – 495МГц.

5.  Результаты моделирования и исследования натурного образца

Расчет геометрических размеров полосковой СВЧ антенны для диапазона 1 – 2 ГГц производился с помощью программы CST MICROWAVE STUDIO 2016.

На нижеприведенном рисунке изображена антенна после проведенной процедуры оптимизации.

Рис. 8 Результат моделирования антенны программными средствами

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы была рассчитана и смоделирована широкополосная антенна на базе полоскового симметричного вибратора.

Опытным путем были найдены оптимальные параметры конструкции с использованием программного комплекса CST Studio Suite. Кроме того был проведен расчет в программе PTC Mathcad Prime диаграммы направленности антенны для трех частот в пределе заданного диапазона. В совокупности все данные расчеты позволили разработать модель широкополосного симметричного вибратора линейной поляризации, конструктивно выполненной на печатной плате и работающей в соответствии с ТЗ, а именно: рабочий диапазон частот – 1000-2000 МГц.

Следует отметить, что для указанного в ТЗ СВЧ диапазона применение данного типа антенны не целесообразно, в виду сложности обеспечения гарантированно линейной величины усиления во всем диапазоне. В связи с этим разработка и расчеты производились для средней частоты диапазона 1,5ГГц в котором вибратор имеет наилучший КПД и максимально оптимальные характеристики.

Согласование полосковой антенны с коаксиальным фидером снижения нуждается в применении полоскового трансформатора, который необходимо дополнительно рассчитать.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. . Резонансные и апертурные антенны. Уч. пособие. ч.2, Минск, 2000

2. , . Устройства СВЧ и антенны. Уч., Радиотехника, 2008, 384 стр.

3. Проектирования полосковых устройств СВЧ. Уч. пособие. Ульяновск, 2001

4. , Пименов cкая электродинамика. М.: Связь, 1971.

5. Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление /Под ред. и . – М.: Советское радио, 1979. – 243 с.